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E
TUDE GEOLOGIQUE ET MINIERE DE
QUELQUES ROCHES INDUSTRIELLES
CAS D
’
APPLICATIONS DANS LE NORD
-
EST
ALGERIEN
2 SOMMAIRE PREAMBULE ... 7 1ERE PARTIE ... 9 CHAPITRE 1 : GENERALITES ... 10 1.1. INTRODUCTION ... 10
1.1.1. Historique d’utilisation de la chaux ... 10
1.1.2. Etat des études et publications ... 12
1.1.2.1. Dans le domaine des carbonates naturels ... 12
1.1.2.2. Dans le domaine de la géologie locale… ... 12
1.2. FORMATION, PROPRIETES DES CARBONATES ... 13
1.2.1. Généralités sur les sédiments carbonatés ... 13
1.2.2. Formation des roches carbonatées sédimentaires ... 14
1.2.3. Minéralogie des roches carbonatées : ... 16
1.2.4. Classification des roches carbonatées ... 16
1.2.5. Caractères principaux des calcaires et dolomies ... 18
1.2.5.1. Roches crues ... 18
1.2.5.2. Conditions préalables à la transformation des carbonates naturels en chaux... 20
CHAPITRE 2 : METHODES D’ETUDE ... 22
2.1. Collecte et étude de documentation ... 22
2.2. Activité de terrain ... 22
2.3. Préparation et traitement des échantillons ... 23
2.4. Essais et analyses réalisés par le laboratoire de l’entreprise LHOIST (Belgique) ... 23
2.5. Visites d’usines ... 24
2.6. Visites de laboratoires ... 24
2.6.1. Laboratoire central de l’entreprise Lhoist (Belgique). ... 24
2.6.2. Laboratoire national de l’ENG (Oum Settas, El Khroub). ... 24
2.7. Traitement des données ... 25
CHAPITRE 3 : LA CHAUX, DEFINITIONS, PROPRIETES ... 26
3.1. Définitions, nomenclature ... 26
3.2. Propriétés physico-chimiques des chaux aériennes ... 28
3
3.2.2. Structures cristallines : ... 30
3.2.3. Poids spécifique et densités : ... 31
3.2.4. Solubilité et pH : ... 32
3.2.5. Floculation, réactions pouzzolaniques : ... 33
3.3. Autres propriétés : ... 33
3.4. Caractérisations des chaux aériennes ... 33
3.4.1. Spécificités des chaux dolomitiques - réactions fondamentales : ... 34
3.4.2. Autres réactions des chaux dolomitiques ... 37
3.5. Fabrication industrielle de la chaux ... 37
3.5.1. Généralités ... 37
3.5.2. Etapes de la fabrication ... 37
3.5.3. Les fours à chaux ... 38
3.5.4. Conditionnement de la chaux ... 42
3.5.5. Contrôles qualité ... 44
CHAPITRE 4 QUELQUES SPECIFICATIONS D’USAGE ET APPLICATIONS DES CARBONATES... 45
4.1. Cas des calcaires et dolomies crus ... 45
4.2. Cas des granulats ... 47
4.2.1. Quelques spécifications ... 47
4.2.2. Autres caractéristiques ... 51
4.3. Cas des carbonates finement fragmentés et leurs applications ... 51
4.4. Utilisations de la chaux ... 52
4.4.1. En sidérurgie ... 52
4.4.2. En métallurgie (métaux non ferreux) ... 52
4.4.3. Pour la protection de l’environnement... 53
4.4.4. Dans le domaine des fumées industrielles ... 55
4.4.5. Dans l’agriculture ... 55
4.4.6. Dans les constructions et les routes ... 56
4.4.7. Autres utilisations ... 56
4.4.8. Données utilitaires ... 58
CHAPITRE 5: CARBONATES NATURELS, CHAUX : ECONOMIE ... 61
5.1. Données de base, production mondiale ... 61
5.1.1. Autres spécificités : ... 63
5.1.2. Données récentes sur la production mondiale de chaux : ... 64
5.2. Production algérienne de carbonates de calcium et de chaux: ... 65
4
CHAPITRE 6 : GEOLOGIE REGIONALE ... 69
6.1. Structuration géologique d’ensemble ... 69
6.2. Les formations du NE algérien (Fig.VI.2)) ... 71
6.2.1. Les zones internes ... 71
6.2.1.1. le socle kabyle, ... 71
6.2.1.2. la couverture sédimentaire ... 72
6.2.2. La zone médiane ou domaine des flyschs ... 72
6.2.2.1. Les flyschs maurétaniens ... 73
6.2.2.2. les flyschs massyliens : ... 73
6.2.2.3. les flyschs numidiens : ... 73
6.2.3. La zone « prékabyle » : ... 74
6.2.4. Les zones externes ou domaine tellien ... 74
6.2.4.1. les nappes ultra-telliennes (Durand-Delga, 1969) ... 74
6.2.4.2. les nappes telliennes sensu-stricto, ... 74
6.2.4.3. La nappe péni-tellienne et les unités méridionales à nummulites, ... 74
6.2.4.4. La nappe néritique constantinoise ... 75
6.2.4.5. Les séries de l’avant pays sétifien (Farah, 1991) ... 75
6.2.4.6. Le parautochtone nord-aurésien (Farah, 1991)... 76
6.2.4.7. l’autochtone nord-aurésien (Farah, 1991)... 76
CHAPITRE 7: GEOLOGIE DES SECTEURS ETUDIES ... 77
7.1. Le domaine Prékabyle (Deleau, 1937, Raoult, 1974 ; Vila, 1980) ... 77
7.1.1. Lithostratigraphie (Fig. VII. 3) ... 78
7.1.1.1. Au paléozoïque ... 78
7.1.1.2. VII.1-1-2) - Au jurassique ... 78
7.1.1.3. Au Crétacé (Fig. VII.3). ... 79
7.1.1.4. Au Tertiaire ... 80
7.1.2. Tectonique et paléogéographie : (Fig. VII. 4) ... 81
7.2. Le domaine néritique constantinois ... 82
7.2.1. Lithostratigraphie ... 83
7.2.1.1. Le Trias et le Jurassique ... 84
7.2.1.2. Le Crétacé ... 87
7.2.1.3. Le Paléogène ... 89
7.2.1.4. Le Néogène, avec : ... 90
7.2.2. Données structurales et paléogéographiques ... 90
7.2.2.1. Les évènements structuraux majeurs (Vila, 1980 ; Aris, 1994)... 90
7.2.2.2. Reconstitution paléogéographique : (Aris, 1994) ... 91
CHAPITRE 8 : DONNEES SUR LES CARRIERES ETUDIEES ... 93
8.1. Considérations préliminaires ... 93
8.2. Carrières de calcaire la série du Safia ... 94
5
8.2.1.1. Localisation, historique ... 94
8.2.1.2. Aperçu géologique du site (Fig. VIII. 2) ... 95
8.2.1.3. Résultats des prospections antérieures : ... 97
8.2.2. Carrière de calcaire de BEN AZZOUZ- Si Messaoud (ENG) ... 98
8.2.2.1. Localisation, historique ... 98
8.2.2.2. Aperçu géologique du site ... 100
8.2.2.3. Résultats des Prospections antérieures ... 103
8.3. Carrières de la série néritique constantinoise ... 105
8.3.1. Carrière de calcaire de l’Oum Settas (El Khroub ... 105
8.3.1.1. 1ocalisation – historique ... 105
8.3.1.2. Aperçu géologique du massif de l’Oum Settas(Fig.VIII. 11) ... 105
8.3.1.3. Résultats des travaux de recherche antérieurs ... 108
8.3.1.4. Etat actuel de la carrière ... 115
8.3.2. Carrière de dolomie de Téioualt (Aïn M’lila) ... 116
8.3.2.1. Localisation, historique ... 116
8.3.2.2. Données géologiques locales (Figure VIII.22) ... 116
8.3.2.3. Résultats des recherches antérieures ... 119
3EME PARTIE ... 121
CHAPITRE 9 MISE EN ŒUVRE ... 122
9.1. Applications aux calcaires de la carrière de DJENDEL (Oued N’Khal, Arcelor-Mittal). ... 122
9.1.1. Etat de la carrière en 2011 ... 122
9.1.2. Echantillonnage et examen des échantillons ... 123
9.1.3. Résultats des analyses et traitement statistique ... 124
9.2. Applications aux calcaires de la carrère de Ben Azzouz (Si Messaoud)... 126
9.2.1. Etat de la carrière en 2011 (Photo IX.5 ; IX.6) ... 126
9.2.2. Echantillonnage et description des échantillons : ... 127
9.3. Applications auxCarrière de calcaire de l’Oum Settas- (El Khroub- Constantine, ENG) ... 130
9.3.1. Etat de la carrière au moment de l’échantillonnage (2007) ... 130
9.3.2. Echantillonnage, examen des échantillons ... 130
9.3.3. Analyses chimiques, traitement statistique et interprétation ... 137
9.3.3.1. Traitement des données chimiques ... 138
9.3.3.2. Interprétations ... 138
9.4. Applications à la Carrière de dolomie de TEIOUALT ... 140
9.4.1. Etat de la carrière au moment de l’échantillonnage (2007- 2008) ... 140
9.4.2. Echantillonnage, examen des échantillons et interprétation ... 142
9.4.3. Analyses chimiques, traitement des données et interprétation ... 147
CHAPITRE 10. ANALYSES, TESTS ET ESSAIS DE CUISSON. CAS D’APPLICATION .... 149
6
10.2. Tests d’essais physiques sur calcaires de DJENDEL et du KHROUB ... 151
10.2.1. Préparation des composites, types d’essais ... 152
10.2.2. Analyses chimiques des échantillons composites ANB 19, ANB 20 et ANB 67 ... 152
10.2.3. Coefficient d’absorption d’eau (WA) ... 153
10.2.4. Tests de porosité et de masse volumique apparente des calcaires ... 154
10.2.5. Réactivité à l’eau de la chaux vive... 154
10.3. Tests de cuisson sur calcaires de DJENDEL et du KHROUB... 156
10.3.1. Test de réactivité ... 156
10.3.2. Indices de « production de fines » à différentes températures ... 157
CONCLUSION ... 161
BIBLIOGRAPHIE ... 164 ANNEXES ………..
7
PREAMBULE
Parmi les géomatériaux, le calcaire et à un degré moindre la dolomie ainsi que les chaux qui en dérivent occupent une place prépondérante dans diverses activités de la vie courante en raison des nombreuses applications qu‟ils permettent. Si de tels matériaux sont connus et surtout utilisés depuis longtemps dans le secteur de la construction; l‟industrie de la chaux quant à elle, s‟est considérablement développée ces derniers temps, résultat d‟une meilleure connaissance de ce produitaux qualités innombrables…
Renforcer sa production en Algérie pourra devenir indispensable dans une politique de développement durable car son usage plus ou moins étendu concernera beaucoup de domaines vitaux en agriculture, dans ceux de l‟environnement et dans une multitude de secteurs industriels.
Plusieurs raisons sont favorables à cette optique :
Le pays ne produit qu‟une à deux variétés de chaux destinées à couvrir à peine les besoins actuels de la sidérurgie alors qu‟il dispose de ressources naturelles suffisantes voire abondantes notamment dans sa région nord-est. Ces ressources, sont affleurantes, donc faciles à extraire, mais nécessitent pour la plupart des cas un complément d‟investigations afin de mieux les valoriser.
Toutefois, la production ne sera envisageable qu‟après étude technico- économique conduite avec la plus grande rigueur, car le produit est à faible valeur ajoutée et de plus, il est pondérable. Comme le ciment, la chaux courante est un produit destiné à la consommation locale, à utiliser aussi près que possible de son lieu de fabrication pour ne pas avoir à subir les surcouts occasionnés par des livraisons lointaines. Ces inconvénients, à prendre en compte, ne pèsent pas devant les avantages que procurera ce produit à la fois ancien et d‟avenir.
L‟expérience, même maigre, acquise en Algérie à ce jour dans le domaine de la transformation du calcaire et de la dolomie en chaux, constitue un capital non négligeable pour le renforcement de ce secteur d‟activité appelé à se développer.
La technologie de fabrication de la chaux a beaucoup évolué dans les pays avancés. Il est possible de trouver sur le marché des qualités de chaux très élaborées, répondant à des applications de plus en plus fines. Mais pour les variétés de base, cette technologie, voisine de celle des ciments, reste maitrisable. C‟est de tels produits qu‟il faudra viser dans un premier temps. De plus, par effet d‟entrainement, l‟activité est pourvoyeuse de main d‟œuvre…
Dans le cadre de cette étude, quatre carrières sont choisies. Leurs matériaux sont testés et servent même, pour la plupart, de matières premières à la fabrication actuelle de chaux. C‟est
8
avec des exploitations aux qualités similaires mais comportant des potentialités encore plus appréciables que de nouvelles applications industrielles peuvent être envisagées…
Au départ, calcaire, dolomie et chaux sont examinés sous divers aspects les caractérisant, avec en rappel quelques titres de publications et ouvrages consacrés. L‟accent sera particulièrement mis sur le contexte géologique, aussi bien général que régional et local, point de départ fondamental à l‟étude de ces substances. L‟aspect économique, le marché de tels géomatériaux sera succinctement abordé dans le cadre de cette contribution.
Quelques données obtenues à partir de chacun des sites retenus, de leurs matériaux respectifs sont traitées aux fins de caractérisations diverses. Ce qui pourra aider à mieux les connaitre sur le plan qualitatif et à servir de modèles à d‟éventuelles projections de réalisation. Produire de tels matériaux et répondre aux besoins d‟un marché appelé à plus d‟expansion, c‟est aller dans la perspective d‟un développement économique durable.
9
10
CHAPITRE 1 : GENERALITES
1.1. INTRODUCTION
1.1.1. Historique d’utilisation de la chaux
Le calcaire et la dolomie, ces roches sédimentaires carbonatées utilisées pour bâtir divers ouvrages, édifier des remparts ou des barrages, mettre en place des enrochements ou encore pour fabriquer de nombreux objets dont des outils, des armes…sont aussi à l‟origine de la chaux… Leur usage indifférencié remonte à l‟âge de la Pierre.
La chaux dont la découverte, fortuite, à partir de ces matériaux surchauffés et soumis à l‟action immédiate de l‟eau (de la pluie sans doute au départ), est venue plus tard. Il s‟agit d‟une sorte de mastic blanchâtre et pâteux qui n‟était autre que de la chaux éteinte!
(Boyton-1980) Elle a servi comme enduit et comme liant dans les constructions. Elle peut être
considérée comme le précurseur des plâtres et ciments de nos jours.
Quoique très ancienne par son utilisation, il est difficile d‟établir une chronologie linéaire de son évolution à travers les âges. En Syrie, dans des sites archéologiques du début du 6eme millénaire avant notre ère, des vestiges ont contenu de la vaisselle blanche de chaux et parmi les ruines, des pans de murs étaient chaulés (Martinet et Souchu - 2009).
Les égyptiens aussi ont utilisé la chaux, il y a de cela plus de 6000 ans. Elle a d‟ailleurs servi comme mortier pour lier les gros blocs de calcaire constituant les pyramides.
L‟héritage de cette civilisation se retrouva en Grèce où la chaux connut beaucoup d‟applications dans les constructions. Les grecs l‟utilisèrent, pas seulement dans ce domaine, mais aussi comme réactif chimique.
Un peu plus tard, les romains construisirent les premiers fours pour la fabriquer par
calcination. A Rome, elle connut même des applications médicales en solution dans l‟eau. Elle servait aussi pour l‟assainissement des terres agricoles ou pour assécher les terrains
humides et sceller des pierres en sol.
D‟autres civilisations antiques sans relation avec les égyptiens ou les romains comme celles des incas ou des mayas utilisaient, il y a près de 5000 ans, divers mortiers en chaux. Certains étaient curieusement préparés à l‟aide de chaux éteinte, d‟orge hydratée, de sable ou même de sang animal! (Claude-1994).
La durabilité des ouvrages réalisés grâce à cette chaux ou à ses mortiers reste liée à la mise en œuvre et au bon dosage des ingrédients incorporés.
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Les usages de la chaux mis en place par les romains se sont prolongés dans l‟histoire jusqu‟au-delà du moyen âge chrétien, en se diversifiant, s‟améliorant techniquement mais restant symboliques de l‟époque. L‟exceptionnelle qualité des mortiers des édifices romains qui ont traversé le temps jusqu‟à la renaissance en occident, a fait naître - à cette époque - la légende d‟adjonctions secrètes au mortier de chaux (Martinet, Souchu-2009). Ces usages ont toutefois largement précédé la connaissance rationnelle des mécanismes de sa fabrication et de sa prise.
Il n‟y a pas longtemps, plus près de nous, dans différents endroits du nord comme du sud algérien, la chaux fut produite dans des fours traditionnels près de Constantine (Chettaba, Hamma Bouziane) et commercialisée dans cette ville jusque dans les années 2000. De même à Ghardaïa dans le M‟zab. Elle fut beaucoup utilisée pour l‟assainissement, comme charge pour les peintures à eau traditionnelles (« Nila» ou peinture à l‟eau, bleue, utilisée dans les vieux quartiers de Constantine et d‟autres villes) et dans le domaine de la construction… L‟approche scientifique et l‟exploitation industrielle de la chaux ne débuta réellement qu‟à partir du XVIIIe siècle. L‟anglais Black et le français Lavoisier (Claude-1994) furent parmi les premiers à décrire les réactions advenant pendant sa fabrication dont le dégagement de gaz carbonique.
Il est important de noter qu‟à cette époque et même au delà de 1791 le terme chaux doit être pris dans son sens large car pouvant provenir de calcaire pur ou, plus ou moins dolomitique ou carrément de dolomie. Pour ce dernier matériau, (Bourrouilh Le Jan-1996) dresse un historique assez exhaustif sur son origine, ses usages…
Jusqu‟au XIXe siècle, ce sont donc les savoirs empiriques qui ont guidé les pratiques des chaufourniers, bâtisseurs et autres artisans. C‟est durant cette période que les savants Vicat, Debray et Le Chatelier (Claude-1994) complèteront leurs travaux, en déterminant toutes les données physico-chimiques du produit et en décrivant différents processus et usages possibles.
C‟est sans doute grâce au développement considérable de la sidérurgie, qu‟au début du XXe siècle, apparurent pour les besoins de cette industrie, de gros centres de production de chaux, aux Etats Unis et en Europe notamment.
Depuis un siècle, les bases scientifiques et industrielles modernes de la production et des usages de la chaux se sont progressivement mises en place. Elles sont affinées, précisées, multipliées et adaptées à de nouveaux besoins dans la conception et les utilisations du produit.
La chaux apparait aujourd‟hui comme l‟élément fondamental d‟une gamme toujours plus étendue d‟applications industrielles débordant largement le secteur des géomatériaux. Ses propriétés et qualités d‟usage sont déclinées en fonction de chacune d‟elles de façon toujours plus précise et adaptée. Cette spécialisation est le résultat de recherches associées à la longue expérience acquise par les gros producteurs de ce secteur (monde occidental, Chine, Japon, Russie…).
12 1.1.2. Etat des études et publications
1.1.2.1. Dans le domaine des carbonates naturels
Deux approches sont proposées, à titre indicatif. Elles ne sauraient être exhaustives car des omissions, forcément involontaires, seront sans doute commises. Le but poursuivi est seulement d‟orienter vers des lectures en relation avec le thème étudié…
L‟une d‟elles se rapporte aux carbonates naturels en tant qu‟entités géologiques, examinés sous tous les aspects induits par cette importante discipline scientifique. Elle englobe les données pétrographiques, minéralogiques, paléontologiques, sédimentologiques…de ces formations, de leur évolution spatio-temporelle…Quelques auteurs et des ouvrages de référence sont cités en bibliographie. Les travaux de Bathurst (1975); Tucker et Wright (1990)… en sont des exemples.
L‟autre approche est plus tournée vers les applications, plaçant les carbonates parmi les géomatériaux et à l‟amont d‟applications dans divers domaines industriels. La documentation est relativement abondante, appuyée par des revues professionnelles, des brochures et articles spécialisés émanant de chercheurs universitaires ou affiliés aux grands producteurs sectoriels (Lhoist, Carmeuse…). Retenons là aussi quelques auteurs comme Boyton (1980) ; Oates (1998) et beaucoup d‟autres, publiant seuls ou en collaboration, ayant pour la plupart contribué dans des revues spécialisées telles que Industrial Minerals…
1.1.2.2. Dans le domaine de la géologie locale
Mis à part le secteur des granulats, le domaine des géomatériaux est relativement nouveau. La documentation est rare en Algérie. Sans doute que des traditions de publications restent à établir ici.
En ce qui concerne la géologie algérienne, l‟on retient quelques publications notamment celle de la région constantinoise. Les plus en vue concernent les travaux de cartographie entrepris par l‟école hollandaise dès 1964 (Raven au Khroub, Van de Fliert à Oued Athménia, Bär à Aïn M‟lila, Voute à Aïn Fakroun…(cités par Vila) et par les géologues de la S.N. REPAL (société française de pétrole des années 60) notamment dans le cadre du permis de recherche appelé permis de Constantine. En parallèle, d‟autres études ont été menées par l‟école française sous la direction de M. Durand-Delga dans le nord et le nord-est constantinois par MM. Raoult, Bouillin, Vila entre autres, dans le cadre de levés réguliers au 1/50000. La carte géologique de Azzaba (ex Jemappes) au 1/50000°, œuvre de Deleau (1937), ne couvre qu‟une partie des massifs du Safia, l‟autre partie appartient à la feuille de Filfila, non encore achevée…
Un peu plus tard, les travaux successifs de Vila, s‟appuyant sur les synthèses de M. Kieken (1960, 1962) et de M. Durand-Delga (1969). Les explorations géologiques étaient réalisées pour la SONATRACH par une équipe de géologues composée de Basseto, Gonnard, Guellal,
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permis une synthèse géologique relativement récente concernant l‟ensemble de la chaine alpine de l‟Algérie orientale. Ce qui a amené les chercheurs à subdiviser la région en plusieurs zones suivant leurs natures lithologiques et leurs situations structurales respectives.
La thèse de doctorat de Vila (1980), relativement plus récente, présente les principaux résultats enregistrés sur l‟ensemble de la chaine alpine d‟Algérie nord orientale, basée sur une synthèse d‟abondantes sources de documentation. D‟autres travaux plus récents dont une synthèse due à Wildi (1983) ainsi que de nombreuses thèses et publications d‟universitaires nationaux sont consacrées à des aires géologiques plus ou moins limitées de cette région. Tous ces auteurs, que je ne saurai citer ici, avec le concours de Sonatrach, ont contribué à enrichir la base encore lacunaire des données géologiques autant régionales que nationales.
Par ailleurs, d‟autres travaux de recherche sur les potentialités minières y compris sur les carbonates ont été dirigés depuis 1966 par la SONAREM [Société Algérienne de Recherche et d‟Exploitation Minière, qui donnera naissance plus tard à l‟ONIG (Office de l‟Information Géologique) remplacé aujourd‟hui par l‟ORGM (Office de Recherche Géologique et Minière)] avec au départ l‟appui de géologues venant surtout d‟Europe de l‟est. La documentation y est très peu éditée voire inédite.
Depuis 2001, deux organismes : l‟ANGCM (Agence Nationale de la géologie et du Contrôle Minier) et L‟ANPM (Agence Nationale du Patrimoine Minier) pilotent avec l‟ORGM le secteur minier auquel les carbonates naturels sont affiliés notamment en ce qui concerne l‟octroi de permis de recherche, d‟exploitation, de contrôle et autres opportunités d‟investissement dans le secteur. Beaucoup d‟exploitants, petites entreprises pour la plupart, se partagent les carrières de carbonates surtout pour produire des granulats. Parmi ces exploitants, privés pour la majorité, figurent quelques entreprises publiques dont ALGRAN (Algérienne des Granulats, filiale de l‟entreprise des non-ferreux : ENOF) et surtout ENG (Entreprise Nationale des Granulats) qui produit aussi des poudres de carbonates.
1.2. FORMATION, PROPRIETES DES CARBONATES
1.2.1. Généralités sur les sédiments carbonatés
Les calcaires et les dolomies forment la majorité des roches carbonatées qui représentant environ 20% des ensembles sédimentaires. Elles sont composées de plus de 50% en poids de calcium (Ca) et de magnésium (Mg). Ces roches ont des éléments constitutifs qui se sont accumulés à la surface de la croûte terrestre et plus particulièrement dans les eaux, surtout marines. Les différents types de milieux marins vont produire des sédiments aux caractéristiques très variées telles que : lagune boueuse et sur-salée, récif corallien, dépôts de mer profonde, plage sableuse…
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Les sédiments carbonatés se sont bien souvent transformés après leur dépôt, rapidement, par
diagenèse à des températures (T) et pressions (P) relativement basses [T inférieure à 150°C et
P inférieure à 1.5 Kilo-bar (Kbar)].
Cependant, ces roches carbonatées peuvent subir aussi des conditions de (T) et de (P) bien plus élevées au point d‟atteindre divers degrés de métamorphisme. Ce qui les transformera en « marbres » montrant des recristallisations et l‟apparition de minéraux caractéristiques.
Enfin, de très rares roches carbonatées ont une origine magmatique : ce sont les carbonatites...
Lorsqu‟elles sont exposées aux conditions météoriques, les roches carbonatées subissent des altérations caractéristiques dont des dissolutions, liées notamment à leur solubilité élevée. Les phénomènes engendrés par ce type d‟altération peuvent être regroupés sous le terme de « karstification ».
1.2.2. Formation des roches carbonatées sédimentaires
Le dépôt de sédiments calcaires est contrôlé par différents processus surtout de nature biogénique, souvent simultanés mais d‟importance variable, (Burnotte-1995). Citons :
- l‟apport de grains de carbonates formés ailleurs (Allochems) et transportés jusqu‟à l‟endroit du dépôt: fragments de roches calcaires (intraclastes), fragments d‟organismes à squelette carbonaté (bioclastes : coquilles, foraminifères,…) boue calcaire (micrite), etc. - l‟action d‟animaux fixes qui retiennent le calcium dans leur squelette et édifient des
constructions (bioconstructions : cas des coraux, éponges, algues…) et autres phénomènes surtout observés dans les mers chaudes et peu profondes.
- La précipitation chimique en grains de taille variable : (oolites ou sphérules à couches concentriques, concrétions algaires, bactériennes, boues de cette origine…). Cette précipitation est souvent favorisée par la présence d‟organismes qui modifient le pH ou la concentration de l‟ion HCO3- et donc la solubilité de CaCO3. Exemple des foraminifères planctoniques, des coccolithophoridés (à l‟origine de la craie), des constructions algaires ou cyanobactériennes comme les stromatolites (Claude, 1994).
- L‟apport de matériaux non carbonatés :
= soit détritiques (fragments solides issus de l‟érosion d‟autres roches : grains de quartz, de feldspath, boue composée de minéraux argileux),
= soit liés à une précipitation chimique (gypse, sel,…), eux même pouvant être encore
d‟origine biochimique (silice, hydrocarbures,…).
Dans tous les cas, le processus de formation de ces carbonates est au moins ponctuellement lié à la concentration et au dépôt de CaCO3 contenu et fixé à l‟intérieur ou à l‟extérieur des organismes par l‟activité biologique. D‟où le fait que les calcaires soient souvent fossilifères, surtout ceux formés en milieu marin (König, 2006)
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Ces carbonates regroupent en général des calcaires francs, des calcaires dolomitiques et des dolomies voire des roches franchement magnésiennes. Lorsque l‟on dispose d‟analyses chimiques, on peut distinguer plusieurs termes en fonction du rapport Ca/Mg comme le montrent les diagrammes suivants (Fig.I.2-1).
Fig. I.2-1- Classification des roches carbonatées. A: en fonction du rapport Ca/Mg. B : en fonction de la teneur en argile. (Boulvain, 2011).
Les roches carbonatées peuvent aussi contenir de l‟argile et former des calcaires marneux, des marnes, des marnes calcaires…
En général, un calcaire pur est relativement cassant, alors qu‟une marne est plus friable. L‟introduction d‟argile dans le calcaire facilite aussi l‟apparition de la schistosité et la formation de nodules diagénétiques.
Certains calcaires peuvent être durs, d‟autres plus tendres comme les craies. Ces différences sont dues au degré de consolidation acquis lors de la diagenèse.
Cette lithification des carbonates induit souvent la cimentation des grains qui se sont accumulés, ce qui entraine une réduction de la porosité et une cohésion plus grande de la roche. Un phénomène diagénétique fréquent est la dolomitisation des calcaires, par remplacement dans la structure de la calcite d‟un atome de calcium sur deux par un atome de
magnésium, ce qui entraine la formation du minéral dolomite suivant la réaction : 2CaCO3 + Mg++ → CaMg(CO3)2 + Ca++ (1)
Le Mg est apporté par des eaux très minéralisées. Plusieurs hypothèses génétiques concernant les influences réciproques Ca-Mg sont apportées par les géologues. Si l‟on peut distinguer à l‟œil ou à la loupe sur cassure fraiche des calcaires grenus et des
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calcaires fins, une analyse pétrographique sur lame mince est souvent nécessaire pour obtenir une bonne description de ces roches (Boulvain, 2011).
1.2.3. Minéralogie des roches carbonatées :
Les minéraux constitutifs les plus importants sont d„abord les carbonates (Voir aussi Chapitre III, figure III. 2) :
- La calcite : CaCO3, elle cristallise dans le système rhomboédrique, densité : 2.71, dureté : 3, avec trois orientations de clivages très nets, éclat vitreux ou laiteux, couleurs variables. Nombreuses formes cristallines.
- L‟aragonite : CaCO3, cristallise dans le système orthorhombique, densité : 2.95, dureté : 3.5 à 4 un clivage net, éclat vitreux, couleur variable. Cristaux souvent en agrégats fibreux.
Remarque : Dans les conditions de surface, la calcite, thermodynamiquement plus stable, est
nettement plus abondante que l‟aragonite.
- La dolomite (étymologiquement de Dolomieu (Bourrouilh-le Jan, 1996) : CaMg(CO3)2 cristallise dans le système rhomboédrique, densité 2.85, dureté 3.5 à 4, éclat vitreux ou laiteux, couleur variable souvent rosâtre ou jaunâtre, cristaux souvent rhomboédriques. Une solution solide complète existe avec l‟ankérite CaFe(CO3)2 qui est plus dense et souvent brunâtre. La dolomie réagit plus difficilement à l‟acide chlorhydrique dilué (et chaud) que la calcite et l‟aragonite.
Dans la littérature anglophone, le terme dolomite désigne indifféremment la roche ou le minéral. Pour la roche, nous lui préférons le terme « dolostone » qui équivaut à dolomie.
D‟autres minéraux sont présents dans les roches carbonatées et sont la source des « impuretés » détectées par les analyses et indésirables pour la fabrication des chaux. Les plus importants sont : d‟autres carbonates (sidérite : FeCO3, rhodochrosite : MnCO3), des silicates (quartz, feldspaths, argiles : kaolinite, illite, chlorite, micas, amphiboles,…), des oxydes et hydroxydes (hématite, goethite, pyrolusite…), des sulfates (gypse, anhydrite,…), des sulfures (pyrite, marcassite,…), des phosphates (apatite)...
1.2.4. Classification des roches carbonatées
La diversité des calcaires et dolomies, liée à leurs compositions chimiques et minéralogiques, à leurs propriétés physiques telles que les porosités ainsi qu‟à leurs textures, à la nature de leurs constituants…a fait naitre une abondante terminologie. Actuellement les classifications les plus utilisées font appel à des paramètres accessibles sur échantillons ou en lame mince tels que proportion matrice-ciment-grain.
[Pour FOLK matrice ou micrite, ciment ou sparite et grain ou « allochems » regroupe : grains, corpuscules, éléments figurés]. Quoique plus ancienne, la classification de Folk (1959) reste
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d‟actualité et possède également ses adeptes (Boulvain, 2011). Elle est représentée en figure I.2-2 :
Fig.I.2-2 Schéma de classification des roches carbonatées selon Folk (1959). (In Boulvain,
2011)
Pour la plupart des sédimentologistes la classification admise comme la plus commode est celle proposée par Dunham en 1962 et complétée par Embry et Clovan en 1972 puis par
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Fig. I.2-3- Classification des roches calcaires selon Dunham (1962) et Embry & Klovan (1972). (In Boulvain, 2011).
1.2.5. Caractères principaux des calcaires et dolomies
1.2.5.1. Roches crues
a. Définition, perméabilité, porosité
• La définition des calcaires et dolomies inclut souvent leurs caractéristiques les plus facilement observables, c‟est à dire la faible dureté [rayée au couteau mais variable d‟un calcaire (ou dolomie) dur à une craie friable] et l‟effervescence à l‟acide chlorhydrique dilué pour le calcaire et l‟absence de cette réaction vive pour la dolomie. Ces deux caractéristiques sont liées aux constituants majeurs de ces roches : la calcite et la dolomite.
Le calcaire et la dolomie sont des roches fissurables, souvent rigides mais cassantes, les mouvements qui les affectent les brisent et créent des fissures ou diaclases. L‟eau s‟infiltre facilement et circule par l‟intermédiaire de ces fissures. Les paysages formés par ces roches sont souvent perméables.
• La porosité correspond au volume total des vides contenus dans la roche. Elle s‟exprime le plus souvent en pourcentages. Dans un calcaire, celle-ci peut varier de 0 à 50%.
Alors que les fissures ou fractures sont des vides à deux dimensions, les pores sont des vides
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phase diagénétique secondaire (dissolution). Cette porosité est mesurable en laboratoire pour les besoins d‟applications dans le domaine des travaux publics et du bâtiment.
b. Classifications des porosités
Elles se font en fonction de :
• la taille des pores ; il y a plusieurs classifications, généralement trois classes de pores sont distinguées : les nanopores (ou infrapores), les micropores et les macropores. On dira par exemple : une forte macroporosité dans un calcaire indiquera un faible degré de cohésion entre les éléments, une forte microporosité ou infraporosité accessible à l‟eau correspondra à un fort potentiel capillaire et sera une cause de gélivité…,
• la nature sédimento-diagénétique de la roche.
Cette classification réalisée par Choquette et Pray en 1970 (in Boulvain, 2011), reste la référence. Elle est illustrée par la figure I.2-4 suivante :
Fig. I.2-4-Représentation des types de porosité.
Elle différencie les porosités liées à la nature du calcaire : morphologie des grains, croissance des ciments…, des porosités indépendantes du ciment initial : fractures, karst…Toute une terminologie nuance les différents types de porosités : intergranulaires, intragranulaires, intercristalines, stylolitiques, karstiques…
L‟étude fine du microfaciès d‟un calcaire et l‟analyse de ses composants sédimentologiques et diagénétiques donnent de nombreuses indications qualitatives sur la porosité.
Les dolomies aussi font l‟objet d‟examens détaillés en relation avec les paramètres de perméabilité, de porosité et leurs variabilités.
Paramètres qui, pour ces matériaux, ont une importance de premier ordre dans l’étude des aquifères et des réservoirs encaissants d’hydrocarbures ou de minéralisations métalliques.
D‟autres propriétés et caractères seront envisagés en rapport avec les principales utilisations de ces matériaux crus (bâtiments, travaux publics, carbonates…) ou transformés (liants dont la chaux et ses dérivés). Elles seront évoquées dans les parties appropriées.
20 c. Données chimiques
La dolomie ne fait pas effervescence avec l‟acide chlorhydrique dilué et à froid (elle le fait un peu lorsque cet acide est chauffé à plus de 40°C), contrairement au calcaire. Ce dernier est très faiblement soluble dans l‟eau pure [environ 15 à 20 mg par litre à 25°C mais soluble dans l‟eau chargée de gaz carbonique (CO2)]. Ce gaz est d‟autant plus soluble que la pression du milieu augmente (mais moins lorsque la température augmente, sauf si le calcaire est en présence d‟acides générés par des végétaux!)…Conditions qui peuvent être réunies, expliquant certains phénomènes naturels comme les karsts ou autres jeux de dissolution-précipitation.
Les carbonates sont aussi connus pour leur réactivité, leur caractère fortement basique. Qualités somme toute appréciées, qui se répercutent favorablement sur les produits qui en dérivent comme les chaux.
1.2.5.2. Conditions préalables à la transformation des
carbonates naturels en chaux
Les calcaires et les dolomies ne sont pas toujours utilisables s‟ils ne répondent pas à des spécifications déterminées. Pour l‟industrie des carbonates et de la chaux, ces spécifications sont plus rigoureuses que celles admises dans le génie civil ou le Bâtiment. Par exemple, l‟on recherchera comme matière première les roches carbonatées les plus pures chimiquement et si possibles les plus calciques (pour les chaux calciques) ou les plus dolomitiques (pour les chaux magnésiennes) c'est-à-dire que les impuretés présentes dans les minéraux non carbonatés (SiO2, Al2O3, Fe2O3…) sont à éviter au maximum. Idéalement, un calcaire pur composé uniquement de calcite (100% CaCO3) aurait comme composition chimique, (exprimée en oxydes) 56.0% CaO et 44.0% CO2. Une dolomie pure (100% de dolomite CaMg(CO3)2) aurait 30.4% CaO, 21.9% MgO et 47.7% CO2).
Suivant les applications, certains éléments sont à éviter, même à de faibles concentrations (Claude, 1994) :
- le soufre et le phosphore pour la sidérurgie
- le fer dans les applications où la couleur du produit a de l‟importance (verre, gypse,…) - les métaux lourds (applications environnementales, alimentation,…)
Chaque application préconise des limites de tolérance aux impuretés. Le tableau I.2-5 en donne des exemples pour la dolomie.
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Tab. I .2- 5- Applications de la dolomie – seuil de tolérance en impuretés, (in Lauwers 1992).
On recherchera aussi les roches les plus cohérentes, car après abatage et concassage il y a forcément production de « fines » qui sont indésirables lors de la cuisson. Cette proportion dépend en grande partie de la résistance mécanique de la roche… et les calcaires compacts et cohérents produiront moins de ces fines donc plus de « granulométries enfournables » que les calcaires tendres ou fragiles. La résistance à la compression du calcaire est souvent utilisée pour caractériser cette résistance mécanique. De grandes variations sont observées suivant les roches : elles vont de 10 à 190 méga Pascal (MPa) …
Une propriété de certains calcaires cristallins est leur fragilisation par l‟échauffement. Connu sous le nom de décrépitation, ce phénomène a aussi de l‟influence sur l‟efficacité du four et la solidité des chaux produites (chaux en roches d‟application en sidérurgie). Les calcaires métamorphiques sont de ce fait moins propices (Burnotte, 1995)
La blancheur du calcaire, la surface spécifique (état de granulation)… sont des propriétés parfois spécifiées pour certaines applications. Elles dépendent du contenu minéralogique et/ou de la texture de la roche.
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CHAPITRE 2 : METHODES D’ETUDE
2.1. Collecte et étude de documentation
De nombreux documents, ayant rapport avec les carbonates naturels, leurs transformations en chaux, ont été consulté. Parmi ceux-ci, il y a des:
- cartes topographiques, cartes et rapports géologiques divers, comptes rendus de prospections, analyses et essais réalisés, rapports périodiques de production, articles, thèses…
- Ouvrages et articles divers sur les carbonates;
- Ouvrages et articles divers sur la chaux : ses propriétés, sa fabrication, ses usages, les essais et normes spécifiques…Documentation d‟entreprise (LHOIST, ENG, ALGRAN, ARCELOR-MITTAL…)
- Consultations en ligne : nombreux et variés sites Internet. La plupart de ces références est signalée en bibliographie.
2.2. Activité de terrain
- Visites des sites avec pour chacun : observation, compréhension du terrain, ses formations, sa structure, les faciès en présence…
- Etat actuel des lieux : l‟exploitation, sa progression, les contraintes rencontrées, les projections envisagées…
- Prélèvement d‟échantillons
L‟opération-type a été réalisée selon un ou plusieurs profils, traversant autant que possible perpendiculairement, la stratification et les fronts de taille tout en allant dans le sens de progression de la carrière. Le prélèvement, assez sommairement cartographié, comporte un nombre d‟échantillons variable selon les possibilités de chaque site. Dans le cas de conditions d‟affleurement favorables, comme celles rencontrées à l‟Oum Settas, une cartographie plus précise a permis d‟effectuer un prélèvement d‟une séquence en banc par banc.
En tout, près de 200 échantillons ont été prélevés.
Nota : les échantillons sont des composites, ils représentent la variabilité des faciès rapidement reconnus, pris sur un rayon de 2 à 3 m autour d‟un point central. Les fragments (3 à 5 par sachet numéroté), sont de taille décimétrique. Ils sont frais, sans fractures et débarrassés d‟encroûtements et de parties altérées…Ces échantillons ont été divisés en deux parts. Une part a subi diverses préparations en vue d‟analyses, d‟essais et tests divers. L‟autre part est conservée comme témoin.
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2.3. Préparation et traitement des échantillons
- Préparations de sucres et de lames minces (nombre selon site), pour observations à la loupe binoculaire et au microscope.
- Le concassage ainsi que le broyage sont réalisés en partie à la faculté des Sciences de la terre, université Mentouri- Constantine. Le concassage est opéré au moyen du concasseur à mâchoires et le broyage dans le broyeur excentrique à anneaux et cylindres dont est équipé l‟atelier du département Sciences de la Terre. Un nettoyage systématique des appareils, opéré avec soin, est effectué à la fin de chacune de ces opérations afin de minimiser la contamination des échantillons. Ces opérations répondent à diverses granularités adaptées aux besoins des essais et analyses.
- D‟autres préparations de conditionnement, des mises en solution d‟échantillons sont effectuées par le laboratoire central de l‟entreprise LHOIST en Belgique, à partir de fragments concassés ou broyés.
Pour essais granulométriques.
Broyage fin pour analyses chimiques : spectrométrie d‟absorption atomique (AAS), spectrométrie de fluorescence X (XRF) ou par quantométrie à plasma. Cette opération a concerné la totalité des échantillons.
Broyage grossier et fin pour quelques échantillons destinés à des essais de cuisson et des analyses Thermiques.
2.4. Essais et analyses réalisés par le laboratoire de l’entreprise LHOIST (Belgique)
Quelques essais physiques et physico-mécaniques sont réalisés sur des échantillons choisis pour leur représentativité relative et provenant des différents sites étudiés. De tels essais permettent de caractériser quelques uns des paramètres les plus en vue pour diverses applications. Egalement des tests de cuisson sont faits pour apprécier le comportement thermique de calcaire et de dolomie durant la montée en température et les transformations subies.
NOTE : L‟obtention d‟une variété donnée de chaux ne saurait être ciblée ici. Seuls des essais semi-industriels voire industriels permettront-sur de grosses quantités de matériaux- d‟atteindre un tel objectif.
Des analyses Thermiques ont été effectuées sur des échantillons de dolomie provenant de la carrière de Téioualt.
Des analyses chimiques par spectrométrie d‟absorption atomique (AAS) couplées à des analyses par spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF) et quelques fois par quantométrie à plasma ont été réalisées pour la totalité des échantillons prélevés.
Des analyses par diffraction des rayons X (XRD) ont été effectuées sur poudres désorientées provenant des massifs du Safia, de l‟Oum Settas et de Téioualt. Pour ces derniers sites, des minéraux friables, contenus parfois dans des poches karstiques rencontrées dans ces carrières, ont pu être identifiés.
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A l‟exception de ces analyses, réalisées au laboratoire de physique des matériaux, université de Constantine, tous les autres essais et analyses l‟ont été dans les laboratoires du centre de recherche du groupe LHOIST basé à Nivelles en Belgique, selon les modes opératoires utilisés dans ces structures et répondant aux normes qui y sont en vigueur.
2.5. Visites d’usines
Les passages dans diverses unités ont permis de suivre les processus de transformation depuis le poste de prélèvement de la matière première venant de la carrière jusqu‟à l‟atelier de conditionnement des produits finis ou destinés aux opérations ultérieures. Ainsi des visites guidées ont eu lieu à :
- l‟unité de chaux intégrée au complexe sidérurgique d‟El Hadjar où des explications ont été données à propos du processus de transformation du calcaire (et de la dolomie) en chaux.
- à des carrières relevant de l‟entreprise Lhoist, situées en Belgique : Bois-Des-Gattes (calcaire), Marche-Les-dames (dolomie), Jemelle (calcaire) et usines correspondantes de transformation des matières premières en chaux. Outre les explications, de la documentation y a été fournie.
2.6. Visites de laboratoires
2.6.1. Laboratoire central de l’entreprise Lhoist (Belgique).
Rappelons que LHOIST, est une entreprise spécialisée dans la préparation des calcaires et dolomies crus ainsi que leurs transformations en chaux. Elle en est l‟un des leaders mondiaux si ce n‟est le leader dans ce secteur d‟activité. La visite au centre de recherche basé à Nivelles (Belgique) a permis de passer dans différents ateliers bien équipés en matériels et appareillages pour des préparations, des analyses d‟échantillons, des essais et tests routiniers ou de performances, d‟améliorations et d‟élaboration de nouveaux produits provenant des unités de l‟entreprise réparties à travers le monde et destinés à une clientèle de plus en plus variée et exigeante…
2.6.2. Laboratoire national de l’ENG (Oum Settas, El Khroub).
Ce laboratoire d‟envergure nationale, implanté à El Khroub, effectue différents tests qualitatifs, essentiellement physiques et physico-mécaniques dans le but de caractériser et de contrôler les matériaux (granulats calcaires et carbonates de calcium en poudre) selon les normes en vigueur. Matériaux provenant des différentes unités relevant de l‟ENG. Parmi les opérations réalisées, citons les analyses granulométriques, les essais d‟usure (micro-Deval, Los Angelès…) et de résistances mécaniques, les déterminations de divers paramètres :
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porosité, masses volumiques, tests de coloration, de blancheur ainsi que des analyses chimiques élémentaires…
2.7. Traitement des données
Des approches statistiques sur les données chimiques ont été menées pour les sites offrant des conditions d‟applications favorables avec notamment un nombre suffisant d‟observations (échantillons). Elles s‟appuient sur le logiciel en ligne EXCELL et sur le logiciel « STATISTICA » version 2006.
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Chapitre 3 : LA CHAUX, DEFINITIONS, PROPRIETES
3.1. Définitions, nomenclature
La chaux est un matériau courant. Il fait partie de notre quotidien, car utilisé en de nombreuses occasions vu l‟étendue de ses rôles et de ses capacités. Nous croyons bien le connaitre car à priori simple mais sa richesse nous échappe. Il n‟en n‟est pas moins un matériau complexe, à la fabrication de plus en plus fine et « scientifique », constituant indispensable de bien des domaines industriels. C‟est la chaux, sous des formes à chaque fois adaptées, que l‟on retrouve comme « fondant » en sidérurgie, comme réactif dans la fabrication de l‟aluminium, pour améliorer les qualités routières des sols ou encore pour traiter les eaux usées et les fumées… (Claude, 1994)
C‟est que la chaux, connue et utilisée depuis plusieurs millénaires souffre d‟un problème de terminologie car il y en a plusieurs variétés et il apparait indispensable de préciser les définitions et les acceptions traditionnellement utilisés dans la profession. Les principales distinctions reposent sur des critères de constitution chimique.
La chaux est, d‟une façon générale, obtenue par calcination d‟un calcaire à une température supérieure à 900°C. Le carbonate de calcium, constituant essentiel du calcaire, se dissocie à cette température pour donner de l‟oxyde de calcium (chaux vive) et du gaz carbonique : CaCO3 → CaO + CO2↗ (1) Carbonate de calcium oxyde de carbone anhydride carbonique
Calcaire (100 g) chaux vive (56 g) gaz carbonique (44 g)
Les chaux grasses obtenues à partir d‟un calcaire très pur doivent leur nom à l‟onctuosité qu‟elles donnent aux mortiers, lorsqu‟elles sont utilisées en construction. Autrefois avec des calcaires un peu moins purs on fabriquait aussi des chaux maigres. Lorsqu‟elles sont utilisées en construction les chaux grasses et les chaux maigres font prise en se recarbonatant en contact du gaz carbonique de l‟air. Elles sont donc appelées chaux aériennes. Elles peuvent être vives ou, comme nous le verrons plus loin, ou éteintes.
Dans certains calcaires et dans les dolomies, le carbonate de magnésium est associé au carbonate de calcium. Il se dissocie de la même manière mais à une température inférieure, pour donner de l‟oxyde de magnésium (magnésie) et du gaz carbonique :
MgCO3 → MgO + CO2↗ (2) Carbonate de magnésium (84 g) magnésie (40 g) gaz carbonique (44 g)
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La calcination des calcaires magnésiens et des dolomies donne ainsi des chaux
magnésiennes contenant à la fois chaux et magnésie. Mais on utilise aussi le terme de chaux dolomitique pour désigner les chaux issues de dolomies.
Les oxydes de calcium et de magnésium réagissent avec l‟eau pour donner des hydroxydes de calcium et de magnésium. Cette réaction est appelée extinction ou hydratation.
CaO + H2O → Ca(OH)2 (3) 56 g 18 g 74 g
MgO + H2O → Mg(OH)2 (4) Oxyde + eau → hydroxyde
Chaux vive + eau → chaux éteinte
Oxydes et hydroxydes de calcium et de magnésium sont des produits basiques.
On fabrique aussi des chaux à partir des calcaires qui contiennent de 15 à 20 % d‟argile. Dans ce cas il se forme au cours de la calcination des silicates et des aluminates de calcium en quantités suffisantes pour donner à ces chaux la propriété de faire prise sous l’eau. On a alors affaire à des chaux hydrauliques et plus précisément à des chaux hydrauliques naturelles. Il existe en effet des « chaux hydrauliques artificielles » qui ne sont pas à proprement parler des chaux et qui résultent du broyage simultané de clinker de ciment et de matériaux inertes (pouzzolanes, scories de hauts fourneaux…). Ce sont les ciments Portland artificiels ou CPA. Nous nous attachons à décrire les propriétés et les utilisations des chaux aériennes, dont l‟usage est le plus répandu et le plus général.
Produit multifonctionnel à usages multiples, la chaux doit satisfaire un grand nombre d‟exigences exprimées dans diverses normes : normes de produits comme normes d‟applications contenant les spécifications détaillées en rapport avec l‟usage considéré. Dans la première catégorie et pour les usages les plus importants, citons deux normes franco-européennes:
- la norme NF EN 459 chaux de construction (chaux calcique et chaux dolomitique) qui se subdivise en trois parties : NF EN 459 1, NF EN 459 2, et NF EN 459 3.
- La norme NF EN 12518 produits chimiques (incluant la chaux) utilisés pour le traitement de l‟eau destinée à la consommation humaine.
Dans la seconde catégorie, nous citerons par la suite d‟autres normes et leur équivalent, qui sont, en fait, des adaptations au contexte national.
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3.2. Propriétés physico-chimiques des chaux aériennes
Ces propriétés découlent directement de la constitution du calcaire de départ et de la température à laquelle il a été calciné. Nous rappellerons succinctement les principales d‟entre elles.
3.2.1. Réactivité à l’eau et extinction de la chaux vive :
L‟oxyde de calcium donne à la chaux vive un caractère hydrophile important. En présence d‟eau, la chaux vive (en roche ou sous forme de poudre) devient instable et se transforme aisément en hydroxyde de calcium [Ca(OH)2] ou chaux éteinte [voir réaction (4)] qui, en conditions et quantités d‟eau contrôlées, s‟obtient sous forme solide. De plus, cette réaction d‟hydratation est fortement exothermique (1155 kJ/kg de CaO). Le suivi de la production de
chaleur au cours du temps est, par ailleurs, mis à profit pour tester la réactivité d‟une chaux
vive (Fig.3.1) ou rapidité d‟action lors de son emploi. Ce paramètre permet à l‟utilisateur de prévoir et de maîtriser la durée des réactions et, si celles-ci sont exothermiques, l‟élévation de température produite.
Fig. 3. 1-Réactivité ou temps mis par la chaux (calcitique) pour atteindre 60°C (Claude, 1994). En outre, ce dégagement de chaleur s‟accompagne d‟un accroissement de volume (facteur d‟expansion : x 2.5, dû à la fracturation lors de la cuisson) et d‟une augmentation de la
finesse des grains (réduction de la taille des cristaux de départ). Chaque type de chaux
possède sa réactivité propre qui dépend à son tour des spécifications d’application et du
procédé de fabrication.
La réactivité de la chaux vive est une mesure de la vitesse à laquelle la chaux vive réagit en présence d‟eau. La norme européenne EN 45 9-2 décrit la méthode de test utilisée pour
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mesurer la réactivité de la chaux broyée par extinction avec de l‟eau. Pour mesurer la réactivité de la chaux en morceaux. La réactivité de la chaux dépend de différents paramètres liés aux matières premières et au procédé employés. Ces paramètres sont :
la température et la durée de cuisson, la structure cristalline du calcaire, les impuretés présentes dans le calcaire, le type de four et de combustible.
La classification de la chaux s‟effectue souvent en fonction de sa réactivité, et notamment avec les termes suivants :
surcuite, dure, moyenne, douce.
La figure 3. 2- montre différentes morphologies (forme des particules) et de surfaces de la chaux douce et de la chaux dure vues au microscope électronique à balayage (MEB) -
Fig. 3.2- Morphologie de la chaux douce, moyenne et dure. Image MEB (x 5000), [in BREF, 2010]. La méthode standard européenne pour évaluer la réactivité de la chaux consiste à mesurer une durée appelée « t60 » c'est-à-dire le temps qu‟il faut à un mélange de chaux et d‟eau pour passer de 20 à 60 °C dans des conditions normalisées. En pratique, plus ce « t-60 » est élevé, plus la réactivité de la chaux produite est faible. Il n‟existe toutefois aucune norme pour définir la qualité du produit (douce, moyenne ou dure) car les seuils ne sont pas clairement déterminés. La Figure (3.3) montre l‟évolution de la réactivité (t-60) en fonction de la température de cuisson ainsi que de la nature du calcaire.
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Fig. 3.3: Evolution de la réactivité en fonction de la température de cuisson et du type de calcaire [In BREF-2010]
Lorsque sa réactivité est faible, la chaux est souvent qualifiée de moyenne, dure et surcuite. La baisse de réactivité s‟accompagne d‟une réduction de la surface et de la porosité de la chaux, un phénomène appelé frittage.
La chimie et la réactivité de la chaux sont les principaux paramètres qui gouvernent le marché d‟un tel produit (BREF, 2010).
Des données concrètes sur cet important caractère seront présentées dans la partie « applications » (Chapitre 10).
Cette propriété est utilisée pour des assèchements de toute nature (agriculture, constructions routières…).
Par ailleurs, contrairement à la chaux vive, la chaux hydratée est capable de fixer le gaz carbonique de l‟air, en atmosphère humide, pour donner du carbonate de calcium selon la réaction : Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O , (5), C‟est la recarbonatation (la chaux « revient » en quelque sorte à son état calcaire d‟origine). Cette propriété induit l‟usage de la chaux comme mortier dans le bâtiment, mais aussi comme « absorbeur » de gaz carbonique propice à la fabrication de sucre et à l‟adoucissement des eaux calcaires.
3.2.2. Structures cristallines :
L‟oxyde de calcium, pur, cristallise dans le système cubique (maille élémentaire: a = 4.8 Å). Les particules de chaux éteinte sont microcristallines ou de taille colloïdale, et peuvent cristalliser dans le système hexagonal (a = 3.58 Å, c = 4.9 Å). (Fig.3.4)
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Fig. 3.4-Mailles élémentaires des principaux carbonates, oxydes et hydroxydes de Ca et de Mg (Lauwers-Lhoist, 1992))
3.2.3. Poids spécifique et densités :
Le poids spécifique de la chaux vive (à porosité nulle) varie de 3,25 à 3,38 ; celui de la chaux hydratée est moindre, sa valeur calculée étant de 2,24. (Herrier G. et Al, 2010).
La densité apparente des particules de chaux vive est comprise entre 1,6 et 2,8 selon le degré de porosité ou, à l‟inverse, de frittage* des particules (* traitement thermique). La réaction d‟hydratation entraine une diminution de la densité apparente. Les chaufourniers définissent une autre densité : La densité apparente en vrac… (Herrier G. et Al, 2010).
La porosité des grains est dépendante à la fois, de celle du calcaire de départ et des conditions de sa calcination. Elle peut varier en pourcentages dans une gamme de 25 à 55 %.
32 3.2.4. Solubilité et pH :
Comme la plupart des sels de calcium, la chaux est peu soluble dans l‟eau (un peu plus de
1g/litre) et sa solubilité décroit avec la température. Si l‟on mélange chaux et eau de façon à
dépasser le seuil de solubilité, la chaux en excès passe en suspension pour devenir de l‟eau de chaux puis « lait de chaux » pour des concentrations plus élevées (30 à 150 g/l de chaux éteinte). Lorsque cette teneur est augmentée de 40 à 60 %, on obtient une pâte malléable constituant un excellent mortier pour l‟industrie du bâtiment et pour les façonnages en sculpture.
D‟autre part, lorsqu‟on met de la chaux dans une solution apte à la formation de sels de calcium, leur très faible solubilité dans l‟eau les fait précipiter : leur élimination devient ainsi très aisée. Ce phénomène se produit ainsi en présence des phosphates et des métaux lourds contenus dans les eaux usées, ce qui favorise leur séparation. Le diagramme de la figure 3.5 montre les domaines de précipitation de certains métaux en fonction du pH. (Claude, 1994).
pH Métal 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Aluminium Cadmium Chrome Cobalt Cuivre Fer Plomb Manganèse Mercure Nickel Argent Zinc
Fig.3.5- pH et précipitation de sels de quelques métaux par la chaux.
Comme pour le calcaire, la présence de calcium fait de la chaux une base forte (sa dissolution dans l‟eau provoque une augmentation de pH jusqu‟à 12.4 (dans les conditions normales à 25° C). Cette propriété la rend apte à neutraliser des acides ou à jouer le rôle de réactif chimique dans diverses opérations (traitement des eaux, des sols, industries chimiques et papetières, valorisation des minerais…). Elle induit aussi un caractère caustique important, d‟où de nombreuses applications de désinfection connues depuis longtemps.
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3.2.5. Floculation, réactions pouzzolaniques :
La chaux permet la coagulation et la précipitation de nombreuses matières organiques en suspension dans un liquide, dans une réaction de floculation. Ce caractère intervient pour concentrer des boues usées, traiter des sols argileux en industrie routière ou des résidus pétroliers comme les « marées noires » ou encore, lorsqu‟il s‟agit de donner une structure grumeleuse à des produits organiques, pour mieux les séparer ou les manipuler ;
Elle effectue des réactions pouzzolaniques avec plusieurs matériaux comme les basaltes, l‟argile ou les cendres, en formant avec eux les silicates ou aluminates de calcium qui durcissent comme un ciment (assises de chaussées, traitement de sols, réactions avec le laitier des hauts fourneaux…) (Claude J., 1994 ; Herrier G. et Al, 2010).
3.3. Autres propriétés :
Les chaux se reconnaissent par leur teinte, généralement blanche. Elles peuvent être légèrement teintées en présence d‟impuretés. La blancheur est déterminante pour certaines applications (papeterie, industrie pharmaceutique).
Leur odeur est à peine terreuse et non agressive.
Ce sont des produits stables, nécessitant néanmoins des précautions de stockage et de conservation, surtout pour la chaux vive qui craint fortement l‟humidité et doit de plus, être manipulée avec beaucoup de soin, évitant le contact direct avec la peau.
La chaux vive peut avoir des réactions chimiques avec divers composés :
- des réactions avec les gaz acides (acide chlorhydrique, composés sulfurés…) à températures élevées, avec les métaux, avec le carbone… (Herrier G. et Al, 2010).
- la chaux hydratée provoque, de son coté, la neutralisation d‟acides en solution aqueuse, la neutralisation de gaz acides, des réactions avec les carbonates alcalins, avec la silice et l‟alumine, des réactions avec divers métaux et avec le chlore…,
- la chaux possède ainsi diverses propriétés, aux multiples facettes et dont les utilisations dans de nombreux domaines ne sont pas encore épuisées.
3.4. Caractérisations des chaux aériennes
Les différentes catégories de chaux commerciales sont définies par certains paramètres physico-chimiques dont les plus importants sont la réactivité, la teneur en oxydes disponibles, la densité apparente, la solubilité, la basicité, les teneurs en composants associés. S‟ajoutent également l‟appréciation de caractères tels que la perte au feu, la finesse de la chaux hydratée ou encore l‟essai de la teneur en chaux disponible et autres essais particuliers pour le domaine de la construction (Herrier G. et Al, 2010)…paramètres que nous considérerons ultérieurement dans le chapitre 10.
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3.4.1. Spécificités des chaux dolomitiques - réactions fondamentales : La chaux magnésienne présente des caractères proches de ceux des chaux calciques, caractères prolongeant eux-mêmes - ceux de leurs roches mères respectives : la dolomie et le calcaire. Evoquons quelques réactions fondamentales (Lauwers, 1992).
a)-Décarbonatation: elle se produit de deux manières, comme indiqué ci-après :
_ Si pCO2 < 100 mm Hg sous vide partiel ou total ; (p : pour pression partielle), → décomposition en une étape vers 700 – 800°C :
CaMg(CO3)2 + q → CaO. MgO + 2CO2 ↗ (6) Dolomite chaleur absorbée dolomie décarbonatée (d.d.) perte au feu (PF)
ou chaux dolomitique
1.9 kg 723 kcal/kg d.d. 1 kg 0.9 kg
(723 thermies/T)
Remarque : en comparaison, la production d‟1 T de chaux CaO requiert environ 770 thermies.
_ Si pCO2 > 100 mm Hg (« atmosph.de CO2 = cas d‟un four à chaux) ;
→ décomposition en deux étapes successives :
• à T1 550 – 765°C :
CaMg (CO3)2 + q1 → CaCO3.MgO + CO2 ↗ (7) Dolomite 243 kcal/kg d.d. dolomie semi-décarbonatée PF
• à T2 900 – 960°C :
CaCO3.MgO + q2 → CaO.MgO + CO2 ↗ (8)
Dolomie semi- décarbonatée 480 kcal/kg d.d. dolomie décarbonatée (d.d.)
b)-Hydratation
- Hydratation partielle (sous pression normale):
CaO.MgO + H2O → Ca(OH)2MgO + q ↗ (9) Dolomie décarbonatée (d.d.) dolomie semi-hydrate (type N) + chaleur
1 kg 0.19 kg 1.2 kg 95.8 kcal/kg d.d.
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CaO.MgO + 2H2O + P → Ca(OH)2Mg(OH)2 + q ↗ (10) Dolomie décarbonatée chaux dolomitique fortement hydratée (type S)
1 kg 0.37 kg 1.34 kg
c)-Frittage
Le frittage est une phase de traitement thermique dans laquelle le CO2 émis pendant la décarbonatation diffuse au travers de la couche de CaO formée, entrainant la modification de la porosité, la croissance de grains de chaux… (Fig. 3.6)
Fig. 3.6- Représentation schématique du processus de frittage dans une chaux CaO -
« Le frittage est, en fait un processus de transport de matière des parties riches vers des parties déficientes (telles que des joints de grains et via, par exemple, les lacunes dans le réseau cristallin de l‟oxyde de calcium) par un processus de minimisation de l‟énergie de surface du grain de chaux » … (Lauwers A., 1992 ; Herrier G. et Al., 2010). Il se déroule comme suit :
T = 1800 – 2000°C (*) + temps
CaO.MgO → CaO.MgO (11)
Chaux dolomitique (ou d.d.) Dolomie frittée (ou dolomie cuite à mort),
En conséquence, on constate :
• une forte réduction de la surface spécifique, • une contraction de volume d‟environ 55%,
![Fig. 3.2- Morphologie de la chaux douce, moyenne et dure. Image MEB (x 5000), [in BREF, 2010]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123doknet/14409259.704200/30.892.130.756.532.817/fig-morphologie-chaux-douce-moyenne-dure-image-bref.webp)
![Fig. 3.3: Evolution de la réactivité en fonction de la température de cuisson et du type de calcaire [In BREF- BREF-2010]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123doknet/14409259.704200/31.892.111.784.125.540/evolution-réactivité-fonction-température-cuisson-calcaire-bref-bref.webp)
